dobivanje elektriČne energije iz otpadne ......6. meĐunarodni kongres dani inŽenjera strojarstva,...

6. MEĐUNARODNI KONGRES DANI INŽENJERA STROJARSTVA, VODICE 2019.

1HRVATSKA KOMORA INŽENJERA STROJARSTVA

DOBIVANJE ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ OTPADNE TOPLINE DIMNIH PLINOVA

Autori:Damir Božičević, dipl.ing, HEP Proizvodnja [email protected], tel.++385(0)1 6005200 Mario Maltar, dipl.ing, INP [email protected], tel.++385(0)1 6329623,Marko Grašovec, dipl.ing, INP [email protected], tel.++385(0)1 6329653



Cilj rada je pokazati mogućnost korištenja toplinske energije otpadnih dimnih plinova, koji se preko dimnjaka izbacuju u okoliš.

U termoenergetskim postrojenjima dimovodni sustavi i dimnjak služe za odvod dimnih plinova od jedinica za loženje u okolinu. Pri tome se adekvatnom visinom dimnjaka osigurava disperzija onečišćenja na veću površinu terena, kako bi se izbjeglo lokalno onečišćenje. To posebice vrijedi za manje „čista“ goriva koja sadrže više onečišćujućih tvari kao što su primjerice ugljen ili mazut.

Budući da je tendencija u gradovima i naseljenim mjestima prelaska na čista i ekološki povoljnija goriva, kao što je prirodni plin, dimnjaci građeni za druge tehnologije izgaranja gube smisao. Svrha ovog rada je pokazati mogućnosti alternativnog korištenja postojećih dimnjaka. Jedna od tih mogućnosti je i proces gdje se dimnjak koristi kao postrojenje za konverziju toplinske energije u električnu koristeći efekt uzgona zraka.



VK 3: Pt = 58 MWt , mp = 13,8 kg/sVK 4: Pt = 58 MWt , mp = 13,8 kg/s

VK 5: Pt = 116 MWt , mp = 26,7 kg/sVK 6: Pt = 116 MWt , mp = 26,7 kg/s



Osnovni podaci koji su korišteni za matematički model termo uzgonskog dimnjaka:

Visina dimnjaka: Hd = 200 mProsječni promjer dimnjaka: Dd = 6,3 mNadmorska visina dna dimnjaka: Z = 113 m.n.m.Hrapavost dimnjaka: kd = 5 mm



Za proračun stacionarnog uvjeta unutar dimnjak, korištena je u nastavku prikazana jednadžba dobivena kombinacijom Bernullijeve jednadžbe i jednadžbe kontinuiteta.

𝑝𝑝3 = 𝑝𝑝2 + 12𝜌𝜌3 + 𝜌𝜌4 𝑔𝑔𝐻𝐻𝑑𝑑 + �̇�𝑚

𝐴𝐴𝑑𝑑

2 1𝜌𝜌4− 1

𝜌𝜌3+ Δ𝑝𝑝𝑑𝑑 + Δ𝑝𝑝𝑑𝑑𝑑𝑑

Gubitak energije uslijed trenja odnosno pad tlaka računat je Darcyjevomjednadžbom:

Δ𝑝𝑝 = 𝜉𝜉 𝐿𝐿𝑑𝑑𝜌𝜌 𝑣𝑣2

2

Koeficijent hrapavosti računat je korištenjem slijedećih jednadžbi u ovisnosti o području strujanja.Za laminarno područje 60<Re k/d < 1300 korišten je izraz:

1𝜉𝜉1/2 = 2 ∗ 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑔𝑔 𝑘𝑘

3,7�𝑑𝑑+ 2,51

𝑅𝑅𝑅𝑅�𝜉𝜉1/2

Ili za turbulentno područje Re>2325

𝜉𝜉 = −2 � 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑔𝑔 𝑘𝑘3,7�𝑑𝑑

− 5,02𝑅𝑅𝑅𝑅

� 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑔𝑔 𝑘𝑘3,7�𝑑𝑑

+ 14,5𝑅𝑅𝑅𝑅

−2(19)



Parametri zraka

Ovisnost temperature atmosferskog zraka o nadmorskoj visini opisana je slijedećom jednadžbom:

𝑇𝑇𝑖𝑖 = 𝑇𝑇𝑖𝑖−1 −𝑔𝑔

𝑐𝑐𝑝𝑝𝑇𝑇𝑖𝑖−1𝑧𝑧

Ovisnost hidrostatskog tlaka okolnog zraka opisana je slijedećom jednadžbom.

𝑝𝑝4 = 𝑝𝑝1 1 − 𝑔𝑔𝑐𝑐𝑝𝑝𝑇𝑇1

𝐻𝐻𝑑𝑑

𝑀𝑀𝑐𝑐𝑝𝑝𝑅𝑅

Gustoća zraka dobiva se iz jednadžbe stanja idealnog plina:𝜌𝜌𝑖𝑖 = 𝑝𝑝𝑖𝑖𝑀𝑀

𝑅𝑅𝑇𝑇𝑖𝑖

Snaga turbine

U ovom slučaju dobivena snaga na vjetroturbini računata je sa Rankine-Froude modelom:𝑊𝑊𝑖𝑖𝑖𝑖 = �̇�𝑚 ∫ 𝜈𝜈𝜈𝜈𝑝𝑝 ≈ �̇�𝑚

𝜚𝜚𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡Δ𝑝𝑝𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

𝑊𝑊𝑖𝑖𝑖𝑖 = ̇2 �̇�𝑚𝜌𝜌2−𝜌𝜌3

𝑝𝑝𝑝 − 𝑝𝑝𝑝



1. Odaberi protok dp iz kotla mp2. Odaberi temperaturu dp iz kotla T23. Pretpostavi protok okolnog zraka mpz4. Pretpostavi temp. okolnog zraka Toz5. Izračunaj okolni tlak zraka pri dnu dimnjaka p16. Izračunaj okolni tlak na vrhu dimnjaka p47. Pretpostavi vrijednost tlaka na izlazu

vjetroturbine p3, te T3, ρ3, T4, ρ48. Izračunaj novu vrijednost p3 i usporedi je sa

pretpostavljenom vrijednošću p3. Ukoliko nije zadovoljeno p3(i-1) - p3(i) < 0,001postupak se ponavlja od točke 5.

9. Izračunaj izlaznu snagu turbine Wiz10.Izračunaj ∆ptot11.Povećaj maseni protok zraka i vrati se na

početak proračuna. 12.Kraj



Grafički prikaz dobivenih snaga na vjetro-turbini u ovisnosti o masenom protoku okolnog zraka, za različiti protok dimnih plinova temperature 150 °C

mp=53,4kgs-1



Grafički prikaz dobivenih snaga na vjetro-turbini u ovisnosti o temperaturi smjese dimnih plinova i okolnog zraka za različiti protok dimnih plinova temperature 150 °C.

mp=53,4kgs-1



Grafički prikaz dobivenih snaga na vjetro-turbini u ovisnosti o razlici tlakova okolnog zraka i tlaka nakon miješanja sa dimnim plinovima za različiti protok dimnih plinova temperature 150 °C.

mp=53,4kgs-1



Grafički prikaz tlakova okolnog zraka i tlaka nakon miješanja sa dimnim plinovima u dimovodnom kanalu u ovisnosti o masenom protoku okolnog zraka za različiti protok dimnih plinova temperature 150 °C.

mp=53,4kgs-1



Maseni protok dimnih plinova

Temperatura dimnih plinova

Maseniprotok zraka u radnoj točci

Temperatura smjese u

radnoj točci

Pad tlaka na vjetroturbini u

radnoj točci

Teoretska dobivena

snaga

Dobivena snaga na

generatoru mp T mpz T Dpt P Pη

[ kg/s ] [°C ] [ kg/s ] [°C ] [ Pa ] [ kW ] [ kW ]

13,8 150 75 35 120 9,1 7,0

27,6 150 105 45 180 17,2 13,2

53,4 150 130 55 240 27,2 20,8

Tablični prikaz rezultata dobivenih matematičkim modelom

Iz dobivenih rezultata vidljivo je da zbog visoke temperature dimnih plinova u odnosu na temperaturu okolnog zraka u dimnjaku i spojnim kanalima između kotlova i dimnjaka vlada podtlak kao posljedica uzgonskog efekta. Ta razlika tlaka može se iskoristiti za pokretanje vjetroturbine. Vjetroturbina bi se nalazila u ogranku kanala koji bi bio dograđen na glavni dimovodni kanal neposredno prije spoja na dimnjak. Protok okolnog zraka kao i raspoloživa snaga na vjetroturbini direktno je proporcionalan podtlaku koji vlada u dimovodnom kanalu.



Autori:Damir Božičević, dipl.ing, HEP Proizvodnja [email protected], tel.++385(0)1 6005200 Mario Maltar, dipl.ing, INP [email protected], tel.++385(0)1 6329623,Marko Grašovec, dipl.ing, INP [email protected], tel.++385(0)1 6329653

HVALA NA POZORNOSTI !

dobivanje elektriČne energije iz otpadne ......6. meĐunarodni kongres dani inŽenjera strojarstva,...

Documents